淺談智能電網終端儲能能量管理係統設計

hth下载地址 陳聰

【摘要】為(wei) 緩解電力負荷時段性峰穀不平衡的壓力,開發了一種應用於(yu) 智能電網的智能儲(chu) 能管理係統。係統在電力負荷較輕及電價(jia) 較低時自動儲(chu) 能,在電力負荷高峰及電價(jia) 較高時,將所儲(chu) 電能供給用戶或反售電網。係統由控製器、儲(chu) 能器件、逆變器、通信模塊等組成,采用Modbus協議與(yu) 上位機通信,采用C語言編寫(xie) 控製器程序,VB開發上位機軟件,實現了係統仿真。該係統有利於(yu) 電力負荷削峰平穀以及節約電力用戶的電費開支。

【關(guan) 鍵詞】智能電網；智能儲(chu) 能係統；電力線載波技術；單片機；Modbus協議

0引言

智能電網能實現發電、輸電、供電、客戶售電、用電、電網分級調度、綜合服務等電力產(chan) 業(ye) 全流程的智能化、信息化、分級化互動管理。我國將在2020年*麵建成統一的堅強智能電網,目前正處在智能電網*麵建設階段。根據電力負荷實施不同電價(jia) 是智能電網的特點之一,它通過電價(jia) 調節,促使用戶優(you) 化用電方案,錯開峰值電價(jia) ,一定程度地減少電網負荷峰穀差,提高電網係統的能源效率。但這種手段並不能從(cong) 本質上解決(jue) 用電峰穀問題,用戶是不可能在負荷高峰時段(例如18:00~23:00)避開用電,此時電費的高價(jia) 位反而加重了用戶的負擔。基於(yu) 此,我們(men) 設計了一種基於(yu) 智能電網終端的智能儲(chu) 能係統,在一定程度上解決(jue) 了這一問題。

1. 智能儲(chu) 能管理係統功能與(yu) 係統結構

1.1係統功能

智能儲(chu) 能控製器能自動識別電力負荷的峰穀,在電力係統的負荷穀底,以較低的實時電價(jia) 將電能儲(chu) 存在家庭儲(chu) 能器件(蓄電池組等)中;在電力係統的負荷峰值,實時電價(jia) 較高時,切斷(或減少)電網供電,將儲(chu) 能器件中的電能逆變後給家用電器供電。智能儲(chu) 能管理係統根據負載功率大小與(yu) 儲(chu) 存的電能自動運算出*佳用電方案供用戶選擇,甚至將富裕的電能反售給電網,用戶可現場或遠程選擇或設置用電方案。智能儲(chu) 能控製器能對負荷削峰填穀,提高係統可靠性和穩定性,減少係統備用需求及停電損失,使原來幾乎完*剛性的係統變得柔性起來,電網運行的安全性、可靠性、經濟性、靈活性也會(hui) 因此得到大幅度的提高。同時,係統又能使用戶在實時電價(jia) 高的用電峰值階段斷開(或減少)高價(jia) 電的消費,減少電費支出。

1.2智能儲(chu) 能管理係統結構

智能儲(chu) 能管理係統結構如圖1所示,係統由控製器、儲(chu) 能器件、逆變器、電力線載波通信模塊、集中器等組成。

圖1智能儲(chu) 能管理係統結構

控製器是核心器件,主要功能是接收人工指令、顯示狀態信息、接收和處理管理主機信息、對儲(chu) 能器件充放電控製、並網開關(guan) 控製、用電負荷檢測等。儲(chu) 能器件可選用鉛酸蓄電池組串或*級電容組串,主要功能是儲(chu) 存電能。逆變器將儲(chu) 能器件儲(chu) 存的直流電逆變成220V交流電供家庭交流負載使用或反售電網。雙向電能表具有雙向計量功能,電流流入時,電能表正向計量,電流流出則反向計量。管理主機與(yu) 集中器為(wei) 遠程通信,采用光纖通信方式,每棟住宅樓安裝一個(ge) 集中器,集中器與(yu) 用戶的通信采用寬帶電力線載波方式,通過電力線載波通信模塊實現信號的調製與(yu) 解調。電力線載波模塊與(yu) 電能表及控製器則采用RS-485工業(ye) 總線方式通信。係統的工作過程為(wei) :當管理主機通過網絡將實時電價(jia) 等信息廣播給各用戶時,控製器接收實時電價(jia) 信息後進行對比檢測與(yu) 判斷,如為(wei) 穀底電價(jia) (電價(jia) 較低),則為(wei) 儲(chu) 能元件儲(chu) 能,此時並網控製開關(guan) 打開,負載也由電網供電,電能表正向計量;如為(wei) 峰值電價(jia) (電價(jia) 較高),則控製器根據用戶的當前用電功率與(yu) 儲(chu) 能元件的荷電狀態自動控製電能的接入。儲(chu) 能器件的直流電能經逆變器逆變*交流電後給家庭負載供電,當儲(chu) 能器件電能消耗達到設定的底線時,控製器切斷儲(chu) 能器件輸出,逆變器停止工作,並網開關(guan) 再次閉合,切換成外網供電。如檢測出家庭負載未用電或用電負載很輕時,控製器閉合並網控製開關(guan) ,開啟逆變器,儲(chu) 能器件的直流電逆變*交流電後通過雙向電能表反售電網,直到蓄電池電能消耗達到設定的底線或本次峰值電價(jia) 結束。

1. 智能儲(chu) 能控製器硬件設計

智能儲(chu) 能控製器由單片機、顯示模塊、鍵盤、LED指示、時鍾電路、存儲(chu) 器、通信模塊以及蓄電池充放電控製電路組成。其硬件結構如圖2所示。

圖2智能儲(chu) 能控製器硬件結構

智能儲(chu) 能控製器的單片機選用宏晶科技生產(chan) 的STC12C5A60S2,此單片機指令代碼完*兼容傳(chuan) 統8051,但速度快8~12倍。內(nei) 部集成MAX810專(zhuan) 用複位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換,60kBFlashROM,滿足本設計中程序容量、運行速度及模擬信號處理等要求。顯示模塊選用ZLE12864A單色液晶顯示屏,時鍾芯片選用DS1302萬(wan) 年曆專(zhuan) 用芯片,存儲(chu) 器選用24C64芯片,RS-232/485轉換選用SN75LBC184芯片,電力線載波通信選用北京福星曉程科技公司生產(chan) 的PL2102。

2.1蓄電池充放電控製電路設計

蓄電池需要進行過充與(yu) 過放保護,因此需設置充放電控製電路。如圖2所示,Q1為(wei) 蓄電池充電控製開關(guan) 管,Q2為(wei) 蓄電池放電控製開關(guan) 管,R5、R6為(wei) 蓄電池電壓檢測電阻,R0為(wei) 負載檢測電阻,JK1為(wei) 並網控製開關(guan) 。蓄電池充電過程如下。P2.6輸出高電平,Q1導通,28V電源對蓄電池充電,蓄電池電壓通過R5、R6分壓後反饋致單片機A/D輸入端P1.0。隨著充電的進行,蓄電池電壓與(yu) P1.0反饋電壓均逐漸*大。當P1.0檢測電壓達到設定的充電上限值時,說明充電達到飽和,P2.6輸出切換成低電平,Q1截止,斷開充電,實現蓄電池過充保護。蓄電池放電過程如下。P2.7輸出高電平,Q2導通,蓄電池直流電通過Q2輸至逆變器,逆變器啟動,蓄電池直流電經逆變成220V交流後輸出。此時如家庭負載有用電,R0上有電流通過,形成電壓降,經放大整流後在單片機A/D輸入端P1.1得到檢測信號,P2.5輸出低電平,並網開關(guan) JK1斷開,負載用電由蓄電池提供。如家庭負載未用電(或負載很輕),R0上則沒有電流(或電流很小),P1.1檢測信號未達到門限值,P2.5則輸出高電平,JK1導通,蓄電池電能反售電網。隨著蓄電池放電的進行,蓄電池電壓與(yu) P1.0檢測電壓均逐漸下降,當電壓下降到設定的放電下限值時,P2.7輸出低電平,Q2截止,蓄電池停止放電,實現蓄電池過放保護。

2.2電力線載波通信模塊設計

電力線載波通信選擇PL2102。PL2102是專(zhuan) 為(wei) 電力線通信網絡設計的半雙工異步調製解調器,它僅(jin) 由單一的+5V電源供電,以及一個(ge) 外部的接口電路與(yu) 電力線耦合。PL2102內(nei) 置了四種常用的功能電路:32BSRAM、電壓監測、看門狗定時器及複位電路。它們(men) 通過標準的I2C接口與(yu) 外部的微處理器相聯。PL2102是特別針對中國電力網惡劣的信道環境所研製開發的低壓電力線載波通信芯片,采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術,以及大規模數字/模擬混合0.5μmCMOS工藝製作,具有較強的抗幹擾、抗衰落性能。信號接收過程為(wei) :電力線上的載波信號經T31、C33耦合,進入PL2102B/C的模擬信號輸入端SIGin,在內(nei) 部進行載波解調;通過I2C總線SDA/SCL與(yu) AT89C51交換數據,AT89C51將接收的數據通過串口轉發至控製器和雙向電能表。信號發送過程為(wei) :控製器或電能表數據通過串口發至AT89C51,I2C總線SDA/SCL傳(chuan) 入PL2102後進行載波調製,PSKO為(wei) 調製後的信號輸出端,輸出信號經Q31、Q32、Q33、Q34組成OTL驅動放大後,經C31、T31耦合輸出至電網。電力線載波通信模塊電路如圖3所示：

圖3電力線通信接口電路

2.3顯示模塊與(yu) 存儲(chu) 器

顯示模塊選用深圳卓立恩科技有限公司生產(chan) 的ZLE12864A模塊。ZLE12864A模塊工作電壓為(wei) 5V,顯示內(nei) 容為(wei) 128(列)×64(行),顯示模式為(wei) FSNT正顯,與(yu) 單片機連接采用8位並行輸出方式,通過字符取模軟件生成漢字代碼。顯示屏上方固定顯示時間,中下部為(wei) 信息發布區,分屏顯示即時電價(jia) 、操表、剩餘(yu) 電量等信息。存儲(chu) 器選擇24C64EEPROM。24C64為(wei) I2C總線的EEPROM，具有較強的抗幹擾能力，功耗低，可斷電保存數據200年以上，擦寫(xie) 次數*少10萬(wan) 次。

3.智能儲(chu) 能控製器軟件設計

根據係統組成,智能儲(chu) 能控製器、電力線載波通信模塊、上位機管理均需編製軟件。智能儲(chu) 能控製器軟件以及電力線載波通信模塊采用單片機C語言編製,上位機管理軟件采用VisualBasic編製,通過虛擬串口VSPDxp5實現管理主機與(yu) 下位機係統調試。

3.1智能儲(chu) 能控製器主程序設計

智能儲(chu) 能控製器軟件由主程序、時鍾程序、鍵盤程序、顯示程序、通信程序等組成。由於(yu) 采用C語言編寫(xie) ,因此將各種功能模塊編寫(xie) 成各類功能函數,由主函數調用並反複循環。主程序流程圖如圖4所示。其流程為(wei) :①開機或複位後首先進行初始化設置;②調用時鍾函數,取出時間信息;③調用顯示函數將各類信息顯示在液晶屏上;④查詢是否有按鍵,如有按鍵則調用按鍵處理函數,得出鍵位碼,鍵位碼使相關(guan) 函數響應;⑤檢測電價(jia) 狀態標誌位,如為(wei) 電價(jia) 穀值,則用戶負載由電網供電,同時啟動蓄電池充電函數;如為(wei) 電價(jia) 峰值,啟動蓄電池放電函數。當蓄電池電量不足時,繼續采用電網供電;蓄電池電量充足時,采用蓄電池供電或將電能反售電網。

圖4主程序流程圖

3.2智能儲(chu) 能控製器通信程序設計

係統的通信包括采集器與(yu) 管理主機的光纖通信、采集器與(yu) 電力線載波模塊的電力線通信以及電力線載波模塊與(yu) 儲(chu) 能控製器和電能表的RS-485工業(ye) 總線通信。管理主機與(yu) 采集器的通信按國家電力行業(ye) 標準要求采用DL645-2007協議,電力線載波模塊與(yu) 智能儲(chu) 能控製器約定雙方按Modbus協議編寫(xie) 通信程序。接收采用被動中斷方式,發送采用主動查詢方式。智能儲(chu) 能控製器數據發送工作過程為(wei) :①把要發送的數據進行CRC運算;②發送本機地址碼;③發送功能碼;④發送數據長度值;⑤依次發送數據;⑥發送CRC校驗碼。智能儲(chu) 能控製器接收采用中斷方式接收電力載波模塊的請求幀。其數據接收過程為(wei) :①響應串行中斷,接收地址碼,判斷地址碼是否與(yu) 本機地址相同,如不同則退出中斷;②接收功能碼,判斷功能碼,根據功能碼值進行相應處理;③按幀依次接收數據;④接收CRC校驗碼;⑤把所接收的數據進行CRC運算(接收的校驗碼不參與(yu) );⑥把接收的CRC校驗碼與(yu) 運算所得的CRC碼進行比較,相符則說明接收正確,返回接收正確功能碼,不符說明接收不正確,返回接收錯誤功能碼。

4.Acrel-2000ES儲(chu) 能櫃能量管理係統

4.1係統概述

hth下载地址儲(chu) 能能量管理係統Acrel-2000ES，專(zhuan) 門針對工商業(ye) 儲(chu) 能櫃、儲(chu) 能集裝箱研發的一款儲(chu) 能EMS，具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能,涵蓋了儲(chu) 能係統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲(chu) 、數據查詢與(yu) 分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在*級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填穀、需量控製、防逆流等控製功能。

4.2係統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲(chu) 能櫃或者儲(chu) 能集裝箱內(nei) 部的設備接入係統。

4.3係統功能

4.3.1實時監測

係統人機界麵友好，能夠顯示儲(chu) 能櫃的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guan) 故障、告警、收益等信息。

4.3.2設備監控

係統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲(chu) 能變流器的參數與(yu) 限值設置；運行模式設置；實現儲(chu) 能變流器交直流側(ce) 電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與(yu) 展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關(guan) 狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理係統的參數與(yu) 限值設置；實現儲(chu) 能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，並實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關(guan) 電參量監測。

4.3.3曲線報表

係統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等曆史曲線的查詢與(yu) 展示。

4.3.4策略配置

滿足儲(chu) 能係統設備參數的配置、電價(jia) 參數與(yu) 時段的設置、控製策略的選擇。目前支持的控製策略包含計劃曲線、削峰填穀、需量控製等。

4.3.5實時報警

儲(chu) 能能量管理係統具有實時告警功能，係統能夠對儲(chu) 能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

4.3.6事件查詢統計

儲(chu) 能能量管理係統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過每個(ge) 設備下麵的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控製器、照明等設備進行相應的控製，但是當設備未通信上時，控製按鈕會(hui) 顯示無效狀態。

4.3.8用戶權限管理

儲(chu) 能能量管理係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.結束語

綜上所述，光伏儲(chu) 能係統能夠平滑功率波動、提高電網的穩定性和可靠性，同時實現供需平衡和調峰填穀。然而，光伏儲(chu) 能係統的應用還麵臨(lin) 一些挑戰，如成本高、技術難題等。因此，未來需要進一步研究和改進控製策略，以提高光伏儲(chu) 能係統的效率和經濟性。同時，政策支持和市場推動也是推動光伏儲(chu) 能係統發展的重要因素。相信通過不斷的努力和創新，光伏儲(chu) 能係統將在清潔能源領域發揮更加重要的作用，實現可持續能源的可靠供應。

參考文獻

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